Digitale windtunnels kunnen helpen bij de ontwikkeling van zuinigere vliegtuigen

Nieuw onderzoek heeft aangetoond hoe simulaties sneller gedetailleerdere en nauwkeurigere gegevens kunnen produceren dan fysieke windtunnelexperimenten.

Met toegang tot meer gedetailleerde gegevens kunnen ingenieurs het ontwerp van turbinebladen voor straalmotoren optimaliseren en grotere gewichtsbesparingen realiseren. Dit zou de brandstofefficiëntie van vliegtuigen verhogen en de emissies verminderen die bijdragen aan klimaatverandering, en dit komt omdat luchtvaartmaatschappijen worden gevraagd om prioriteit geven aan het verminderen van emissies over het compenseren van hun koolstof.

Het internationale team van onderzoekers uit het VK, de VS, Japan, Canada en Duitsland zegt dat hun bevindingen, gepubliceerd in Computers en vloeistoffen, opent ook de deur naar ‘digitale’ windtunnels die uiteindelijk fysieke windtunnels vervangen, wat de kosten zou kunnen verlagen en tot betere ontwerpen zou kunnen leiden.

Straalmotorturbines worden momenteel ontworpen met behulp van een combinatie van Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)-simulaties, die proberen het gedrag van turbulente stroming vast te leggen met behulp van geschatte modellen en windtunneltests.

RANS-simulaties hebben echter een beperkte nauwkeurigheid, vooral voor onstabiele stromingen, en het testen van windtunnels in de echte wereld kan zowel kostbaar als tijdrovend zijn en levert ontwerpers vaak beperkte gegevens op. Bijgevolg is er een groeiende interesse in het gebruik van high-fidelity directe numerieke simulaties, die alle aspecten van de turbulente stromingsfysica direct vastleggen, om nauwkeurige voorspellingen te verkrijgen zonder toevlucht te nemen tot het gebruik van windtunnels.

Hoofdauteur professor Peter Vincent van Imperial’s Department of Aeronautics zei: “Onze simulaties zijn om verschillende redenen opwindend. Ten eerste bieden ze ons nauwkeurigere en gedetailleerdere gegevens, zodat we veel kunnen leren over de onderliggende stroomfysica en deze mogelijk kunnen gebruiken om te trainen nieuwe turbulentiemodellen via op machine learning gebaseerde benaderingen.

“Ten tweede, met de vooruitgang in computerhardware kunnen we binnenkort de gegevens sneller en tegen lagere kosten verkrijgen dan bij fysieke windtunnelexperimenten. Dus hoewel digitale windtunneltests de fysieke windtunnels gedurende enkele jaren misschien niet vervangen, suggereert ons onderzoek dat het nu een reële mogelijkheid.”

Hoewel het onderzoek specifiek gericht was op het testen van turbinebladen voor straalmotoren, zijn er nog vele andere gebieden waar de aanpak ook een rol zou kunnen spelen, waaronder het ontwerp van onderzeeërs, auto’s, hoogbouw en windturbines – die momenteel allemaal sterk afhankelijk zijn van windtunnel testen.

Professor Vincent voegde toe: “Toepassingen die verder gaan dan turbomachines zijn onder meer die in de maritieme, automobiel- en groene energiesector, waar we hopen dat de technologie de komende jaren een belangrijke rol zal spelen.”

De simulaties werden uitgevoerd met behulp van de PyFR-software op de Titan-supercomputer van het Oak Ridge National Laboratory. Deze software kan worden uitgevoerd op een reeks verschillende hardwareplatforms, waaronder moderne NVIDIA grafische verwerkingseenheden zoals die waaruit Titan bestaat.

“Hoge orde nauwkeurige directe numerieke simulatie van stroming over een MTU-T161 lagedruk turbineblad” door AS Iyer, Y. Abe, BC Vermeire, P. Bechlars, RD Baier, A. Jameson, FD Witherden, PE Vincent, gepubliceerd in Computers en vloeistoffen.